1、超声波发射声场与超声波发射声场与规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压Chapter 3 Sound Field & Echo Sound Pressure 目目 录录 Contentsn纵波发射声场纵波发射声场n横波发射声场横波发射声场n聚焦声源发射声场聚焦声源发射声场n规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压nAVG曲线曲线纵波发射声场纵波发射声场 longitudinal Wave Sound Fieldn圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场n矩形声源辐射的纵波声场矩形声源辐射的纵波声场n纵波声场近场区在两种介质中的分布纵波声场近场区在两种介质中的分布n实际声场与理想声场比较实
2、际声场与理想声场比较圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场声轴线上的声压分布声轴线上的声压分布2202022002sin()22sin)23/sssssssPPRxxRxxRRPPxxRP RPFPxx声轴线上的声压幅值为：式中：声源半径；声程。当时：（当（足够远）时：圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场声轴线上的声压分布声轴线上的声压分布n理论计算n仿真圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场声轴线上的声压分布声轴线上的声压分布n近场区：在声源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大值和极小值的区域菲涅尔区。在近场内内，声束不扩散。n近场长度222222222()(21)4 (
3、21)0,44ssssssRxxDnxnnnDDRFN当（2n1） 时，声压有极大值：2式中： 正整数，取即声压的最后极大值出现的声程：圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场声轴线上的声压分布声轴线上的声压分布n远场区：声程xN的区域。声压随声程单调下降，当x3N时， 声压与声程成反比符合球面波的规律所有规则反射体回波声压计算的基础。2222()(2)81 2 3 4.ssRxxDnxnn当n 时，声压有极小值：、 、 时对应的声程约为N/2、N/4、N/8.0/sP PFx圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场横截面声压分布横截面声压分布n近场：存在中心轴线上声压为0的截面，轴线
4、上声压为0，偏离中心声压较高；n远场：轴线上声压最高，偏离中心声压逐渐降低。同一截面声压分布对称。圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场横截面声压分布横截面声压分布n仿真圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场横截面声压分布横截面声压分布n应用： 探头声轴线偏离、折射角测量均应在远场。圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场指向性和半扩散角指向性和半扩散角n指向性：声束集中向一个方向辐射的性质。 00112(sin )sin2(sin )( , )( ,0)sinsssscsP FJ kRPrkRJ kRP rDP rkR在足够远场处空间任意点的声压：指向性系数：圆盘声源辐射的纵
5、波声场圆盘声源辐射的纵波声场指向性和半扩散角指向性和半扩散角0sin3.83,7.02,10.17.00sin3.83sin1.2270( )scssskRDkRarcDD当y=时， ，即有声压为 点。当y=，即第一零点发散角半扩散角：圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场指向性和半扩散角指向性和半扩散角 00001 cD ， 即 在 足 够 远 处 任 意 点 的 声 压 均 比 同 距 离 声 轴 线 声 压 低 声 束 轴 线 应 垂 直 入 射 缺 陷 。 当 能 量 主 要 集 中 在 主 瓣 之 内越 大 ， 声 束 扩 散 越 大 ， 方 向 性 越 差 ， 定 位 误 差
6、 越 大 ；越 小 ， 声 束 扩 散 越 小 ， 方 向 性 越 好 ， 定 位 误 差 越 小 ；频 率 越 高 ， 探 头 晶 片 越 大 ， 半 扩 散 角 越 小 。圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场指向性和半扩散角指向性和半扩散角11162(sin)( ,)20 lg20 lg( ,0)sin62(sin)20 lg6sin2(sin)0.51sinsin2.22.2arcsinarcsin 0.7sssssssdBssJkRP rdBP rkRdBJkRdBkRJkRkRkRkRD与声压幅值有关的半扩散角半扩散角：查得：可得： 圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声
7、场指向性和半扩散角指向性和半扩散角111211122(sin)2(sin)20 lg120.251sinsinsin2.92.9arcsinarcsin 0.92202(sin)2(sin)20 lg200.1sinsinsin3.4sssssdBsssssssdBJkRJkRdBkRkRkRkRDdBJkRJkRdBkRkRkR半 扩 散 角 ：， 可 得 ：经 查 得 ：所 以 ：半 扩 散 角 ：， 可 得 ：经 查 得 ：所 以 ：203.4arcsinarcsin 1.08dBsskRD圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场指向性和半扩散角指向性和半扩散角6122002arcs
8、in0.7arcsin0.92arcsin1.08sin1.22()dBdBssdBssdBdBDDarcDD 不同半扩散角比较：自由声场与脉冲反射法指向性的关系：自由（脉冲）圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场未扩散区与扩散区未扩散区与扩散区n未扩散区长度02sin1.221.642.44ssarcDDbN矩形声源辐射的纵波声场矩形声源辐射的纵波声场声轴线上声压分布声轴线上声压分布00sin(sincos )sin(sin )( , , )sincossin( ,0,0)ssP FKaKbP rrKaKbP FP rr 远场任意点处的声压：远场声轴线上声压：矩形声源辐射的纵波声场矩形
9、声源辐射的纵波声场声轴线上声压分布声轴线上声压分布n声压计算与声场仿真矩形声源辐射的纵波声场矩形声源辐射的纵波声场指向性指向性 短边平面 长边平面 00( ,0, )sin(sin )( ,0,0)sinarcsin57( )22arcsin57( )22rooYOZP rKbDP rKbYOZbbXOZaa在平面内指向性系数：在平面内的半扩散角为：同样，在平面内的半扩散角为：矩形声源辐射的纵波声场矩形声源辐射的纵波声场近场长度近场长度n近场长度n特点 与源盘声源相同。sFN纵波声场近场区在两种介质中的分布纵波声场近场区在两种介质中的分布n剩余近场长度 在水浸法检测中， 如水层距离小于 水中近
10、场长度， 则在钢中的剩余 近场长度为：2111122()()4sDccNNLLcc纵波声场近场区在两种介质中的分布纵波声场近场区在两种介质中的分布n仿真实际声场与理想声场比较实际声场与理想声场比较特点特点n理想声场：连续波均匀激励、理想液体介质； 实际声场：脉冲波非均匀激励、固体介质。n特点： 相同：远场； 不同：近场：实际声场近场的 声压分布较均匀，幅度变化较小， 极大值点的数量也少，极小值 远大于0。实际声场与理想声场比较实际声场与理想声场比较原因原因n理想声场时连续波，在某点完全干涉、实际声场时脉冲波，部分干涉或不干涉；n激励脉冲包含了许多频率成分，每个频率的信号激励晶片所产生的声场相互
11、叠加，使总声压分布趋于均匀；实际声场与理想声场比较实际声场与理想声场比较原因原因n实际声场声源的激励非均匀，中间幅度大，边缘幅度小，而干涉主要受边缘的影响大，所以产生的干涉比均匀激励时的小的多；n理想声场针对液体，声压线形叠加；实际声场针对固体，声压方向在连接线上，叠加干涉少。横波发射声场横波发射声场Transverse Wave Sound Fieldn假想横波声源假想横波声源n横波声场的结构横波声场的结构假想横波声源假想横波声源n假想：把第一介质中的纵波声场转换为轴线与横波波束一致的横波声场。n假想横波声源为椭圆， 长轴为Ds，短轴为：coscosssDD横波声场的结构横波声场的结构声轴线
12、上声压声轴线上声压n在足够远处声轴线上的声压：n规律：与纵波相似。n仿真2coscosssssKFPxFF式中：等效声源面积横波声场的结构横波声场的结构近场长度近场长度n假想横波声源的近场长度n横波声场中第二介质中的近场长度为：212costancostanssFNNLL2coscosssFN横波声场的结构横波声场的结构近场长度近场长度11111sltgNNLtgFNL在钢中的剩余近场长度简便算法： 式中：声源在斜楔中的纵波声场近场长度；入射点到声源的距离。横波声场的结构横波声场的结构半扩散角半扩散角n纵波折射的横波声场，声束不对称，存在上下两半扩散角：211221121sin,sin1.22
13、sin1 ()1.22cosLsLssLababaDcbD c上下横波声场的结构横波声场的结构半扩散角半扩散角n横波垂直入射220220arcsin1.2270arcsin5722ssssssDDaa对圆形声源：对正方形声源：规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压Echo Sound Pressure n大平底大平底 Flat Bottomn平底孔平底孔 Bottom-Drilled Hole n长横孔长横孔Long Side-Drilled Holen短横孔短横孔 Short Side-Drilled Holen球孔球孔 Spheren大直径圆柱体大直径圆柱体 Huge Diameter
14、Cylinder计算的前提计算的前提 所有规则反射体回波声压计算的前提：0 x3N2sFPPxx1、反射体在声场的足够远处： 声轴线上声压随声场的变化规律近似球面波：、反射体表面光滑、声束垂直入射、声压全反射。大大 平平 底底 02sBFPPx大平底回波声压：规律：声压与声程成反比、与频率成正比。122112001212XX2220lg20lgssBBBBFFPPPPxxPxdBPx两厚度分别为，的大平底的回波声压分别为：所以，距离相差一倍，其回波声压相差6dB.平底孔平底孔平底孔回波声压平底孔回波声压0022ssfsfFPPxF FPxFFxf平底孔处的声压：探头接收到的平底孔回波声压： P
15、式中：声源面积；平底孔面积。规律：回波声压与平底孔直径的平方成正比、与声程的平方成反比、与频率的平方成正比。平底孔平底孔两平底孔回波比较两平底孔回波比较n平底孔孔径差1倍：回波声压差 12 dB 平底孔声程差1倍：回波声压差 12 dB120022221221212212120lg20lg40lgssF FF FPPPPxxPDxDxdBPDxDxf1f2f1f2声程和孔径不同的两平底孔回波声压：二者的回波声压（高度）差： 平底孔平底孔平底孔与大平底比较平底孔与大平底比较002222220lg20lg2sfsBBfBBfF FFPPPPxxPd xdBPxff大平底和平底孔的回波声压分别为：
16、两回波的声压（高度）差为： 应用：底波法调整灵敏度、缺陷当量计算。长长 横横 孔孔 n规律：长横孔回波声压与直径的平方根成正比、与声程的3/2次方成反比、与频率成正比。 孔径相同，声程差一倍，回波差9dB; 声程相同，孔径差一倍，回波差3dB.0131121232212220lg10 gfsffffDP FPxxPD xlPD xV长横孔回波声压：两长横孔回波声压（高度）差： 短短 横横 孔孔n规律：短横孔回波声压与长度、直径平方根成正比、与声程的平方成反比、与频率成正比。024111212242212220 g10lgffsffffffflDP FPxxPlDxlPlxDV短横孔回波声压：两
17、短横孔回波声压（高度）差： 球球 孔孔n可见： 球孔声压直径成正比、与声程的平方成反比、与频率成正比。 直径一定，声程相差一倍，声压差12dB； 声程一定，直径相差一倍，声压差6dB.02112122221420 g20lgfsfffffDP FPxxPD xlPD xV球孔的回波声压：两球孔的回波声压（高度）差： 大直径圆柱体大直径圆柱体实心实心n圆柱体回波声压：n可见，与厚度与直径相同的大平底相同。02sFPPDD大直径圆柱体大直径圆柱体空心空心0022sBsBP FdPsDP FDPxd从外圆周径向入射时回波声压：从内圆周径向入射时回波声压：可见，从外圆周面入射时比大平底回波低，因为内壁
18、凸面发散。 从内圆周径入射时比大平底回波高，因为外壁凹面聚焦。规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压n若考虑介质衰减，回波声压应为：208 .6 822208 .6 8208 .6 8208 .6 8208 .6 8208 .6 8208 .6 82224222a xsffa xfsfa xffsfa xfsfa xsBa xsBa xsBPFFPexDPFPexxlDPFPexxDPFPexxPFPexPFdPexDPFDPexd平 底 孔 ：长 横 孔 ：短 横 孔 ：球 孔 ：大 平 底 与 实 心 圆 柱 体 ：空 心 圆 柱 体 外 圆 入 射 ：空 心 圆 柱 体 内 圆 入 射
19、 ：AVG曲线曲线 AVG Curve n纵波平底孔纵波平底孔AVG曲线曲线 Bottom-drilled-hole AVG Curve for Longitudinal Wave n横波平底孔横波平底孔AVG曲线曲线 Bottom-drilled-hole AVG Curve for Transverse Wave 纵波平底孔纵波平底孔AVG曲线曲线通用曲线通用曲线n制作：x3N：计算； x3N：实测202200084420lg20lg20lg20lg2220lg40lg40lg40lg40lgsBfsffsBBffDPPxDDPxxDxAGNDPVAPAPGVGAPA大平底回波声压：平底孔
20、回波声压：P归一化声程：， 归一化缺陷当量：大平底相对波高：平底孔相对波高：纵波平底孔纵波平底孔AVG曲线曲线通用曲线通用曲线纵波平底孔纵波平底孔AVG曲线曲线通用曲线通用曲线n优点 通用性强，适用于不同探头。n缺点 归一化计算复杂。纵波平底孔纵波平底孔AVG曲线曲线通用曲线通用曲线n例： 用2.5P20直探头检测厚度为400mm的钢锻件，已知纵波声速为5900m/s，在170mm处发现一缺陷，其回波比底波低10dB。（1）如何用底波调整2mm灵敏度？（2）求此缺陷的当量平底孔尺寸。纵波平底孔纵波平底孔AVG曲线曲线实用曲线实用曲线n制作 以特定仪器和探头，在不同深度和孔径的反射体试块上实测。n优点 使用简单，无需归一化计算。n缺点 只适用于某特定的仪器和探头。纵波平底孔纵波平底孔AVG曲线曲线实用曲线实用曲线横波平底孔横波平底孔AVG曲线曲线通用曲线通用曲线n在足够远场，横波声轴线上的声压分布与纵波近似，纵波平底孔AVG曲线同样适用。22coscoscoscosSSfsFNLxANDGD横波平底孔横波平底孔AVG曲线曲线实用曲线实用曲线n制作 平底孔三角试块实测。n适用性 仅适用于特定探头。
